荷蘭ASML是世界頂尖光刻機的全球唯一生產(chǎn)商。
眾所周知，航空發(fā)動機和光刻機分別代表了人類科技發(fā)展的頂級水平，都可以算得上是工業(yè)皇冠上的奪目的明珠。目前，我國航空發(fā)動機已經(jīng)有了長足的進步，那么，我國的光刻機發(fā)展現(xiàn)狀如何?這種譽為新時代“兩彈一星”級別的“神器”我國能趕超歐美嗎?特別是最近某科技媒體稱，“是什么卡了我們的脖子—— 這些“細節(jié)”讓中國難望頂級光刻機項背”，筆者根據(jù)公開資料解析我國光刻機最新進展。所謂光刻機，原理實際上跟照相機差不多，不過它的底片是涂滿光敏膠(也叫光刻膠)的硅片。各種電路圖案經(jīng)激光縮微投影曝光到光刻膠上，光刻膠的曝光部分與硅片進行反應，將其永久的刻在硅片上，這是芯片生產(chǎn)的最關鍵步驟。 由于光刻機在芯片最后的封裝，以及平板顯示器件生產(chǎn)都可以用到，所以這里的光刻機一般特指芯片生產(chǎn)的前道光刻機。
由于前道光刻機技術極端復雜，經(jīng)過多年競爭，目前由原荷蘭飛利浦公司發(fā)展而來的ASML(阿斯麥)公司一家獨大，占據(jù)大部分市場份額，日本的兩家光刻機公司(尼康和佳能)茍延殘喘，基本上已退出光刻機市場 ，就連科技最發(fā)達的美國目前也不能獨自完整生產(chǎn)出前道光刻機 ，只要求掌握最關鍵技術，和擁有ASML(阿斯麥)公司關鍵控股權。一些言論認為：“作為集成電路制造過程中最核心的設備，光刻機至關重要，芯片廠商想要提升工藝制程，沒有它萬萬不行，我國半導體工藝為啥提升不上去，光刻機被禁售是一個主要因素”。實際上，早在1971年，我國清華大學精儀系就成功研制出了“激光干涉定位自動分步重復照相機”，也就是前道步進光刻機原型。那時，現(xiàn)在的光刻機巨頭ASML還未創(chuàng)立，可以說跟歐美光刻技術處于同一水平，進入80年代后，隨著國家放慢了對半導體工業(yè)支持的腳步，面對飛速發(fā)展的國際半導體行業(yè)，我國卻被遠遠甩在了后面。
進入21世紀后，我國重新開展了前道光刻機的研發(fā)工作，并成立了專門的研發(fā)公司——上海微電子裝備有限公司(SMEE)。當時國外公司傲慢的說，“即使把圖紙和元器件全部給你們，你們也裝配不出來”。上海微電子裝備有限公司進行集成式創(chuàng)新，終于于2007年研制出了我國首臺90納米高端投影光刻機，成為世界上第四家掌握高端光刻機技術的公司。據(jù)公開資料披露，由于該樣機大量采用外國關鍵元器件進行集成，在得知我國研制出光刻機后，外國公司默契的進行了關鍵元器件禁運，樣機成了擺設，無法投入商業(yè)化生產(chǎn)。公司不得不將產(chǎn)品開發(fā)投入到技術含量較低的后道封裝光刻機和平板顯示光刻機上來，并成功的占領了國內(nèi)封裝光刻機80%的市場，解決了公司生存危機，但我國芯片生產(chǎn)的關鍵難題并沒有解決。
面對如此困難的局面，我國并沒有泄氣，認真梳理了前道光刻機的關鍵核心技術，決定開展全國科技大協(xié)作，投巨資和精兵強將攻下這一科研難關。第一道難關是光刻機的曝光光學系統(tǒng)，由數(shù)十塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，其光學零件精度控制在幾個納米以內(nèi)，ASML公司的鏡頭組由老牌光學儀器公司德國蔡司獨家生產(chǎn)。該項技術由生產(chǎn)遙感衛(wèi)星鏡頭的長春光機所和國防科技大學光學精密工程創(chuàng)新團隊等聯(lián)合攻關，已獲得多項突破性成果。成功研制了含有非球面光學元件的投影光刻曝光光學系統(tǒng)，并在上海微電子90nm光刻機整機上獲得了滿足光刻工藝要求的85nm極限曝光分辨率的成果，并全面掌握了浸沒式28nm光刻機以及更高水平的光刻機曝光光學系統(tǒng)，已批量生產(chǎn)110nm節(jié)點KrF曝光光學系統(tǒng)，值得一提的是，更短波長的極紫外EUV投影光刻機曝光光學系統(tǒng)也成功突破，獲得EUV 投影光刻32 nm 線寬的光刻膠曝光圖形。
第二道難關是光刻機的激光光源，據(jù)非官方消息稱，上海微電子的光刻機光源就因為沒有國產(chǎn)化，被西方公司卡脖子導致無法商用。光刻用準分子激光器光源需要窄線寬、大能量和高脈沖頻率，這些參數(shù)互相矛盾，研制難度極大，目前經(jīng)兼并組合后，全世界只有一家日本公司獨立生產(chǎn)光源，其余皆被ASML公司收購。我科學院光電研究院等承擔光刻機中的ArF準分子激光光源研發(fā)任務后，經(jīng)9年努力，已完成國內(nèi)首臺 “65納米 ArF 步進掃描雙工件臺光刻機曝光光源”制造任務和 “45納米以下浸沒式曝光光源研制與小批量產(chǎn)品生產(chǎn)能力建設”任務。以及20-40瓦 90納米光刻機 ArF曝光光源批量化生產(chǎn)任務。第三道難關是光刻機工件臺，為將設計圖形制作到硅片上，并能在2~3平方厘米的方寸之地集成數(shù)十億只晶體管， 光刻機工件臺在高速運動下需達到2nm(相當于頭發(fā)絲直徑的三萬分之一)的運動精度。
日本尼康株式會社的社長來我國訪問時曾說過這么一句話：“光刻機光學系統(tǒng)雖然很難，我相信你們能夠研制出來，但(雙)工件臺恐怕就拿不下來了，因為這個系統(tǒng)太復雜了。”我國的清華大學等單位經(jīng)努力攻關，不僅做出了滿足90納米光刻需要的工件臺，針對28至65納米光刻配套的雙工件臺也已研制成功，使我國成為世界上第二個研制出光刻機雙工件臺的國家。第四道難關是光刻機浸液系統(tǒng)，進入65納米以下制程后，曝光光學系統(tǒng)已不能滿足需要，急需新的技術。臺積電技術人員經(jīng)研究，提出采用以水為透鏡，激光光束透過“水”為中介，縮短成更短波長，并與ASML公司合作，研制出45納米浸沒式光刻機。就是這項發(fā)明使原有193納米波長光刻機不斷延續(xù)，芯片制程最低可達7到14納米，臺積電和ASML公司分別成為各自領域龍頭企業(yè)。
我國浙江大學經(jīng)多年研究，研制出浸液控制系統(tǒng)樣機，為我國浸沒光刻機的研制提供技術支撐。該項目研發(fā)成功后將推動國產(chǎn)光刻機一舉超越Nikon和Canon的光刻機，成為全球光刻機生產(chǎn)企業(yè)第二名。隨著上述四大關鍵技術的研發(fā)成功，ASML公司不得不與上海微電子重新建立合作伙伴關系，并聲稱，從來沒有對中國出售最先進光刻機進行所謂的“禁運”，愿意隨時給我國出口最高級的光刻機，筆者認為，再給我國5至8年時間，我國光科技技術將站上世界領先地位，那時，我國芯片產(chǎn)業(yè)將迎來一片曙光。
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